聚光式太陽能追蹤發電裝置支撐結構強度校核

上海太陽能科技有限公司 ■ 陳國良 孫麗兵 張麗瑩 陳素瑩

0 引言

太陽能作為一種分布廣泛的清潔能源正越來越多地被開發利用。其中，將太陽能轉化為電能的光伏發電技術使用較為普遍。由于太陽能的能量分散、最佳能量接收角度在一天當中隨著太陽方位不斷變化，傳統的固定式太陽能發電裝置的能量利用效率較低。相比之下，近年來出現的聚光式太陽能追蹤發電系統很好地解決了以上問題。這一系統使用聚光板對陽光進行反射，將太陽能匯聚到面積較小的光伏組件上，節省了太陽電池的用量；配備運動裝置，能根據太陽高度角隨時調整聚光板角度，使其隨時處于最佳能量接收角度，從而提高發電效率[1]。

在結構強度方面，由于聚光式太陽能追蹤發電系統使用的聚光板面積較大，導致其自重和風、雪載荷也較大；由于角度的變化，其載荷組合情況較為復雜，因此對其支撐結構強度提出了更加嚴格的要求。目前我國尚未有與之對應的設計規范。本文以某聚光式太陽能追蹤發電裝置為例，參考相關技術規范，利用有限元結構分析方法，對其支撐結構的強度進行分析校核。

1 聚光式太陽能追蹤發電裝置簡介

聚光式太陽能追蹤發電裝置由光伏組件、驅動裝置、聚光板和支撐結構組成。聚光板和光伏組件固定在支撐結構上，陽光經過聚光板反射匯聚于光伏組件處。驅動裝置帶動支撐結構運動以根據太陽高度調整聚光板的角度。本文研究對象的結構如圖1所示，裝置總長12 m，橫梁寬2.4 m，立柱高2 m。共設有5根立柱和8根橫梁，6組聚光板和光伏組件通過光軸固定在橫梁上，在驅動裝置的帶動下，可在±75°范圍內轉動。整體結構中除局部使用了加強材料外，材料均為Q235-B碳素結構鋼。

結構性能設計指標和環境載荷要求為：1)基本風壓0.50 kN/m2；2)基本雪壓0.10 kN/m2；3)基本氣溫-22～34 ℃。

圖1 聚光式太陽能追蹤發電裝置結構示意圖

2 設計載荷和工況的確定

根據結構分析的一般流程，結構分析應首先確定結構在壽命周期內可能遭遇到的最危險的靜態和動態載荷組合，之后根據適當的內力分析方法求得結構的應力和變形響應，最后根據適當的校核標準對結構強度進行評估[2]。因此，確定設計載荷在結構設計和校核中的作用十分關鍵。

本文研究的聚光式太陽能追蹤發電系統支撐結構主要承受以下載荷：1)光伏組件、聚光板和支撐結構的重力載荷；2)冬季作用在結構上的雪載荷；3)作用在結構上的風載荷。以上3種載荷中，重力載荷屬于永久載荷，雪載荷和風載荷屬于可變載荷。風、雪載荷受環境和時間影響，帶有隨機特征，準確預報其壽命中的最大值較困難，在工程中不易實現。因此，在實際應用中通常使用相關規范中的經驗值作為環境載荷的設計值。

目前，我國尚沒有針對太陽能發電裝置支撐結構制定專門的規范。本文根據研究對象的結構和功能特點，選擇我國GB 50009-2012《建筑結構載荷規范》[3]確定結構校核的載荷設計值。

2.1 風載荷

垂直于聚光板表面上的風載荷標準值，按照GB 50009-2012《建筑結構載荷規范》第8章8.1.1-1公式進行計算：

式中，wk為風載荷標準值，kN/m2；βz為高度z處的風振系數，取βz=1.0；μs為風載荷體型系數，按照8.3.3中突出構件的計算方法，取μs=-2.0；μz為風壓高度變化系數，μz=1.09；w0為基本風壓，kN/m2，w0=0.50 kN/m2。

2.2 雪載荷

垂直于聚光板水平投影面上的雪載荷標準值按照GB 50009-2012《建筑結構載荷規范》第7章7.1.1公式進行計算：

式中，sk為雪載荷標準值，kN/m2；μr為屋面積雪分布系數，隨角度變化，取值見GB 50009-2012表7.2.1；s0為基本雪壓，kN/m2，s0=0.10 kN/m2。

2.3 永久載荷sG

永久載荷包括聚光板、光伏組件和支撐結構的自重，按照結構構件的設計尺寸和材料單位體積的自重計算確定。

2.4 載荷組合sd

本文研究的太陽能追蹤發電裝置的上部結構可在±75°范圍內進行運動，其載荷組合情況隨著其姿態發生變化，其結構受力特征也將有明顯區別，因此無法直接獲得最危險的受力狀態。考慮載荷的對稱性，校核時在0°～75°范圍內每隔15°進行一次結構校核，共6種計算工況。

根據GB 50009-2012《建筑結構載荷規范》第3章載荷組合的規定，各工況下強度校核的載荷組合見表1。

表1 各工況載荷組合

3 有限元模型建立

根據各工況下支撐結構的位置，使用MSC Patran軟件建立6組有限元模型。根據結構構件的受力特點，在模型中使用梁單元模擬橫梁、主梁、立柱、光軸；光伏組件、小型連接構件等對結構整體強度影響較小，建模中省略了其結構，僅以零維的質量單元模擬其重量。材料均為Q235-B低碳鋼。原有結構中，由于中央立柱僅起固定傳動裝置的作用，不應承受結構載荷，因此模型當中僅建出4根立柱。圖2給出了0°工況下的有限元模型示意圖。

圖2 支撐結構的有限元模型

1)載荷：重力載荷通過慣性力施加，聚光板上的風、雪載荷使用集中力的方式加在光軸上。

2)邊界條件：支柱下端與土壤接觸處，使用固定位移約束，限制所有平動和轉動自由度。

4 結構計算結果

使用MSC Nastran軟件進行求解，并使用MSC Patran軟件對結果進行后處理，輸出支撐結構工作狀況下的應力水平，計算結果見表2。參照GB 50017-2003《鋼結構設計規范》[4]，采用von-Mises屈服準則，選取215 Mpa為許用應力衡準，對各工況下結構應力水平進行校核分析，校核結果全部符合衡準要求。

從表2可看出，在75°情況下，支撐結構承受的工作應力最大，為142.1 Mpa。最大工作應力發生在立柱的根部，根據理論分析，由于此時支撐結構主要受到側向的風載荷作用，立柱承受較大的彎曲載荷，因此彎曲應力應在立柱根部達到最大。有限元計算結果與理論分析結果一致。

圖3為這一工況下的工作應力云圖。在0°～45°的4個工況當中，最大工作應力均出現在橫梁與主梁交匯處。

圖3 支撐結構的應力云圖(75°工況)

5 結論

本文使用有限元方法對某聚光式太陽能追蹤發電裝置支撐結構的強度進行了校核。首先通過查閱相關規范，確定了結構校核的計算工況和設計載荷；之后利用MSC Patran/Nastran軟件對支撐結構的整體強度進行了有限元建模和計算分析，得到的計算結果能正確地反映出支撐結構在不同工況下的受力特征；最后，根據鋼結構強度規范對研究對象的結構強度進行了校核。主要結論如下：

1)有限元計算結果表明，結構在聚光板與地面呈75°的工況下產生最大的工作應力。最大應力出現在立柱與土壤交界處，為142.1 Mpa。這一應力主要由于風載荷橫向作用于支撐結構，在立柱根部產生較大的彎曲應力所致。因此，在設計中應盡量減小立柱高度，并選用合適的立柱截面尺寸。

2)在聚光板與地面呈0°～45°工況下，最大的工作應力發生在橫梁根部，由風、雪及結構自重作用產生，同樣以彎曲應力為主。在結構設計中應同樣予以關注，選用合適的橫梁截面形狀和尺寸。

3)研究對象的所有構件在各工況下的強度均滿足要求，校核結果合格。

[1] 童靖宇， 楊亦強. 聚光式空間太陽能電源系統[J]. 航天器工程 ， 2012， 21(5)： 103 － 109.

[2] 王煥丁 ， 祁皚 . 結構力學 [M]. 北京 ： 清華大學出版社 ， 2006.

[3] GB 50009-2012， 建筑結構載荷規范[S].

[4] GB 50017-2003， 鋼結構設計規范[S].